一、温度调节阀的位置与设置 1.1 冷却水热交换器温度调节阀的设置 开式冷却水系统中，用于闭式冷却水热交换器的温度调节阀，其作用是：调节热交换器管侧开式冷却水的流量，以控制壳侧闭式冷却水出水的温度。西北电力设计院所设计的300MW机组开式冷却水温度调节阀的设置情况如下：渭河三期2×300MW、邹县三期2×600MW均无温度调节阀；九江三期2×350MW、吴径六期2×300MW、鄂州一期2×300MW均有温度调节阀。
由此可见，并非必须设置温度调节阀。由于闭式冷却水比开式冷却水只高4℃左右；在闭式冷却水系统中，对需控制被冷却介质温度的冷却器均设置了温度调节阀。因此，只要取消温度调节阀后出水温度在允许范围内，取消温度调节阀是可以的。
1.2 冷却器温度调节阀的设置位置 西北电力设计院设计的300MW机组冷却水温度调节阀的设置位置如表1所示。
| 冷却器名称
| 九江三期
| 鄂州一期
| 平凉一期
| 靖远二期
| 宝鸡二厂
| 关径六期
|
| 冷却水水源
| 闭式水
| 闭式水
| 开式水
| 开式水
| 开式水
| 闭式水
|
| 氢密封油装置冷却器
| /
| 出口
| 出口
| 出口
| 出口
| 出口
|
| BH 油冷却器
| 进口
| /
| /
| 出口
| /
| 出口
|
| 发电机定子水冷却器
| /
| 进口
| /
| /
| /
| 出口
|
| 发电机润滑油冷却器
| 出口
| /
| 出口
| 出口
| 出口
| 进口
|
| 发电机氢冷却器
| 进口
| 出口
| 出口
| 出口
| 出口
| 进口
|
| 汽机润滑油冷却器
| 进口
| 出口
| /
| 出口
| /
| 进口
|
| 小汽机润滑油冷却器
| 进口
| /
| 出口
| 出口
| 出口
| 进口
|
| 电泵工作油冷却器
| /
| 出口
| 出口
| /
| 出口
| /
|
| 电泵润滑油冷却器
| /
| 出口
| 出口
| 出口
| 出口
| / |
从表1可知，西北电力设计院设计的300MW机组将温度调节阀多数设置在设备冷却器的出口管路上，少数设置在设备冷却器的进口管路上。下面讨论如此设置的原因和2种设置的优缺点。
二、温度调节阀位置的设置原则
2.1、从设备运行的角度考虑
将温度调节阀置于设备冷却器出口管路上，可使设备冷却器始终处于满水状态，保证其正常运行。 将温度调节阀置于设备冷却器的进口管路上，可使闭式冷却水系统运行压力较高，而常规情况下设备冷却器的设计压力较低，为了使设计压力较低的设备冷却器能承受较高的运行压力，将调节阀设置在设备冷却器的进口管道上，可增加入口管的压损，以保证冷却水在冷却器内的压力低于被冷却介质压力，从而降低设备造价。
2.2、从调节系统的角度考虑 2.2.1 调节对象的动态特性
2.2.1.1 调节对象的平衡能力
调节对象有2种平衡能力，即有自平衡能力和无自平衡能力。有自平衡能力是指在阶跃输入扰动下，不需外加调节，被调量经过一段时间后能稳定在新的平衡状态；无自平衡能力是指在阶跃输入扰动下，被调量以一定的速度不断变化，不能稳定。
设备冷却器管、壳侧流过冷却介质的流量D由调节阀控制，如果把D作为输入信号，出口被冷却介质的温度θ作为输出信号，冷却器可表示为1个控制环节，它的阶跃响应曲线如图1所示。图1中，τ为纯迟延时间；T为时间常数；K为传递系数；△D为冷却介质流量的变化。
由图1可知，当D阶跃减少后，蛇形管吸热相对增加，但蛇形管有一定的热容量，它的温度不能阶跃上升，只能逐渐上升。开始时，蛇形管温度还未升高，θ几乎没有变化。随后θ上升速度增大，至A点达到最大值。之后，由于θ升高，被冷却介质与蛇形管的温差减小，传热量减少，θ上升的速度下降；最后被冷却介质的放热量和冷却介质的吸热量平衡时，θ保持不变。因此，设备冷却器有自平衡能力。
2.2.1.2 调节对象的传递函数 对图1曲线的数学表达式如（1）式所示：
（1）
θ在τ时间段变化很慢。从物理过程看，τ 与蛇形管的热容量有关，其热容量越大，则τ 越大，反之，τ 越小。在设备冷却器中，热量从被冷却介质经蛇形管传到闭式冷却水，引起被冷却介质温度变化，在热量传递中，由于有蛇形管和闭式冷却水的2个容量，因此，设备冷却器可看作是有迟延环节的2容对象。参照图1的阶跃响应曲线，可得设备冷却器的传递函数如（2）式所示。
（2）
式中K
1——设备冷却器传递系数；
T
1——设备冷却器时间常数；
S ——拉普拉斯算子。
2.2.2 调节阀的动态特性与传递函数
2.2.2.1 调节阀的动态特性
调节阀的动态特性是指当输入信号（调节阀开度r（t））为单位阶跃响应函数时，输出信号（介质流量C（t））的响应曲线。调节阀的动态特性近似于一阶惯性环节的动态特性，其阶跃响应曲线如图2所示。
2.2.2.2 调节阀的传递函数
根据调节阀惯性环节的动态特性，可得调节阀的传递函数如（3）式所示：
（3）
式中K
2——调节阀的传递系数；
T
2——调节阀的时间常数。
2.2.3 2种调节系统的数学模型
无论温度调节阀是设置在设备冷却器前、后，都构成了1个闭环调节系统。为书写简单，记K
1K
2e
-=A。若温度调节阀在设备冷却器前，则闭环控制系统如图3所示，其传递函数F
1（s）如（4）式所示。
（4）
若温度调节阀在设备冷却器后，则闭环调节系统如图4，其传递函数F
2（s）如（5）式所示。
（5）
2.2.4 2种调节系统的稳定性
式（4），（5）中，F
1（s）与F
2（s）分母相同，即2种系统的闭环特征方程相同，2种调节系统的稳定性一样。闭环特征方程如（6）式所示：
T
12T
2s
3+（T
12+2T
1T
2）s
2+（2T
1+T
2）s+A+1=0 （6）
据劳斯判据，为使系统稳定，应满足（7），（8）式：
A+1>0 （7）
（8）
由于A远大于0；并且实际过程中，T
2远小于T
1。所以满足系统稳定的条件是0
2.2.5 2种调节系统的阶跃响应
2.2.5.1 传递函数的简化
由（4）、（5）式可知，F
1（s）与F
2（s）的分母都是三阶的，可根据实际情况降阶处理。由于温度调节阀的时间常数比调节对象的时间常数小得多，即与T
1相比，T
2趋近于0，实际上，常把调节阀看作比例环节。故H
0（s）可变为H''
0（s）。
H′
0（s）=K
2 （9）
相应地，F
1（s）可转化为F''
1（s）、F
2（s）可转化为F''
2（s）。如（10），（11）式所示：
（10）
（11）
2.2.5.2 2种调节系统在单位阶跃函数下作用的根F''
1（s）与F''
2（s）的特征方程均为：
T
12s
2 +2T
1s+A+1=0 （12）
方程（12）的特征根如（13）式所示：
s
1，2=（-1/ T
1）-j（K
1K
2/T
1） （13）
方程的根是1对负实部的共轭复根，因此，2种调节系统都属欠阻尼振荡系统，响应过程是衰减的。
2.2.5.3 2种调节系统阶跃响应曲线的性质
将（10）式右边分子、分母同除以T
12，取系统阻尼比ξ=（A+1）
-1/2，得系统无阻尼自然振荡频率ω
n= （A+1）
1/2 / T
1。于是（10）式如（14）式所示：
F''
1（s）=[K
1e
-ω
n2/（A+1）]/（s
2+2ξω
ns+ω
n2） （14）
对F''
1（s）进行拉氏反变换后可得θ''
1（t），欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应如（15）式所示：
θ''
1（t）=[K
1e
-τs/（A +1）]•[1-（1-ξ
2）
-1/2•e
-εωntsin（ω
d+β）] （15）
式中 ω
d——阻尼振荡角频率；
β——阻尼振荡相位。
式（15）中，ω
d=ω
n•（1-ξ
2）
1/2，ω
d<ω
n （16）
β=arctan[（1-ξ
2）/ξ]
1/2 （17）
又
（18）
同理θ''
2（t）=[A/（A+1）]•[1-（1-ξ
2）
-1/2•e
-ξωntsin（ω
d+β）] （19）
θ''
2（∞）=K
1K
2/K
1K
2+1） （20）
根据以上分析，可以得到（21）式：
θ''
2（t）=K
2θ''
1（t），θ''
2（∞）=K
2θ''
1（∞） （21）
这样，根据θ''
1（t）、θ''
2（t）、θ''
1（∞）、θ''
2（∞），可得到2种系统的单位阶跃响应曲线，如图5所示。下面用单位阶跃响应的特征量对图5进行分析。
（1）峰值时间t
p。该特征量表征系统响应初始段的快慢，由（22）式决定：
t
p=π/ω
d （22） 由于2种调节系统的ω
n及ξ相同，故t
p相同。
（2）超调量M
p。该特征量表征系统响应过程的平稳性，由（23）式决定。
M
p=[θ''（t
p）-θ''（∞）] /θ''（∞）×100% （23）
式中θ''（tp）——单位阶跃响应的峰值；
θ''（∞）——单位阶跃响应的稳态值。
为书写简单，记e
- πξ/（1-ξ2）1/2=B。显然，2种调节系统的超调量M
p1、M
p2为：
M
p1=[K
1e
-τs/（A+1）]•B•100% （24）
M
p2=[A/（A+1）]•B•100% （25）
若K
2>1，比较曲线c、b，可知曲线b的超调量M
p1小，平稳性好。即：Mp1p2；
若K
2<1，比较曲线a、b，可知曲线a的超调量M
p2小，平稳性好。即：Mp1>M
p2 。
（3）衰减率Ψ。该特征量表征经过1个周期后，阶跃响应曲线上减少的振幅，由（26）式确定。
Ψ=1-[M（t
p+T
k）/M（t
p）] （26）
式中 M（t
p）——t
p时，单位阶跃响应的振幅；
M（t
p+T
K）——t
p+T
K时，单位阶跃响应的振幅；
T
k——单位阶跃响应的振荡周期。
2种调节系统的衰减率Ψ
1、Ψ
2如（27），（28）式：
Ψ
1=1-[K
1e
-τs/（A+1）]
2•B
2 （27）
Ψ
2=1-[K
1K
2e
-τs/（A+1）]
2•B
2 （28）
若K
2>1，由曲线c、b，知曲线b的衰减率Ψl大，趋近稳态值快；即：Ψ
1>Ψ
2；若K
2<1，比较曲线a，b，知曲线a的衰减率Ψ
2大，趋近稳态值快；即：Ψ
1<Ψ
2
（4）稳态误差W（∞）。该特征量表征保持被调参数的稳态精确度，由（29）式决定。
w（∞）=1-θ′（∞） （29）
显然，W
1（∞）=[K
1（K
2-1）+1]/（K
1K
2+1） （30）
W
2（∞）=1/（K
1K
2+1） （31）
若K
2>1，由曲线c、b，知曲线c的W
2（∞）小。即：W
1（∞）>W
2（∞）；若K
2<1，由曲线a，b，知曲线b的稳态误差W
1（∞）小。即：
W
1（∞）<W
2（∞）
2种调节系统在超调量、衰减率、稳态误差存在差异，差异由K
2引起。即当K
2>1时，温度调节阀在设备冷却器前，调节系统的单位阶跃响应在超调量、衰减率品质较好，但稳态误差较大；当K
2<1时，温度调节阀在设备冷却器后，调节系统的单位阶跃响应在超调量、衰减率品质较差，但稳态误差较小。而是温度调节阀的传递系数，随调节阀
流量特性的不同而不同。因此，对2种调节系统的讨论就转化为对调节阀传递系数的讨论。
2.2.5.4 调节阀的传递系数
调节阀的流量特性是指被调介质流过
阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系。有直线、等百分比、快开和抛物线等4种典型流量特性。调节阀的静态传递系数K是流量特性曲线上各点的斜率。4种流量特性的静态传递系数确定方法如下。
（1） 直线流量特性调节阀的传递系数如（32）式：
K=1-1/R （32）
式中 R——调节阀的可调范围。
R由（33）式确定：
R=Q
max/Q
min （33）
其中，Q
min为调节阀可调节的最小流量，一般为最大流量的2%~4%。显然，直线流量特性调节阀的传递系数K远小于1，如图6所示。
（2）等百分比流量特性调节阀的传递系数由（34）式确定：
K=R
（μ-1）lnR （34）
式中 μ——调节阀的相对开度。
μ为调节阀在某一开度下的行程L与全开时的行程L
Mma× 之比，即由（35）式确定：
μ=L/L
ma× （35）
当R在[25，50]及在（0，0.6368）时，01。
等百分比流量特性调节阀的传递系数K随相对开度增大而增大，如图6所示。等百分比调节阀的流量特性在低开度（小于50%）时，流量变化较小；高开度（大于60%）时，流量变化很大。因此，等百分比流量特性调节阀更适合于在[0.6513，1]范围内工作，此时K>1。
（3）快开流量特性调节阀的传递系数见（36）式：
K=2（1-1/R）（1-μ） （36）
当R在[25，50]及在（0，0.4792）时，K>1；当R在[25，50]及μ在[0.4897，1]时，0
快开流量特性调节阀的K随相对开度增大而减小，如图6所示。快开流量特性在低开度（小于50%）时，流量变化较大；高开度（大于60%）时，流量变化较小。因此，快开流量特性调节阀更适合于在（0，0.4792）范围内工作，此时0
（4）抛物线流量特性的传递系数由（37）式确定：
K=（2/R）（R
1/2-1）[1+（R
1/2-1）μ] （37）
当R在[25，50]及在（0，0.5135）时，01。
抛物线流量特性调节阀的传递系数K随相对开度增大而增大，如图6所示。该调节阀的流量特性是1条抛物线，其特性介于直线特性与等百分比特性之间。低开度（小于50%）时，流量变化较小；高开度（大于60%）时，流量变化较大。因此，抛物线流量特性调节阀更适合在[0.5313，1]范围内工作，此时K>1。
三、结论 1、温度调节阀设置在设备冷却器前、后的2种闭环调节系统稳定性是相同的。系统稳定的条件是：调节阀的传递系数K
2、设备冷却器的传递系数K
1以及迟延时间常数e
-τs三者的乘积在（0，4）区间内。
2、冷却水系统中，温度调节阀选用等百分比流量特性或抛物线流量特性时，应将温度调节阀置于设备冷却器前；当其选用直线流量特性或快开流量特性时，应将温度调节阀置于设备冷却器后。
3、调节阀传递系数K的工作范围决定了采用何种调节系统。当K>1时，采用温度调节阀位于设备冷却器前的调节系统，调节效果较好，超调量小，衰减较快，但稳态误差相对较大，稳态误差与超调量和衰减率相比，对调节品质影响较小。等百分比流量特性和抛物线流量特性调节阀更适合于在K>1范围内工作。当0
4、开式冷却水系统中，位于闭式冷却水热交换器前的温度调节阀可以取消的条件是：壳侧出水温度的波动在0~4℃ 。
